(57)【要約】      （修正有）【課題】基材の変形を防ぎつつ、ミリチャネル基材、並びにミリチャネル基材を用いた冷却デバイス及び装置を製造する手段を提供する。【解決手段】電力用電子回路１００を装着させるための基材１２が、下面及び上面を有する中間セラミック層１２０と、中間セラミック層１２０の上面に取り付けられた上部金属層１２１と、中間セラミック層１２０の下面に取り付けられた下部金属層１２２とを含んでいる。下部金属層１２２は、電力用電子回路１００を冷却する冷却材を送達するように構成されている複数のミリチャネルを有し、該ミリチャネルは、中間セラミック層１２０の下面への取り付けの前に下部金属層１２２の上に形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用電子回路（１００）を装着させるための基材（１２）であって、
下面（１２４）及び上面（１２３）を有する中間セラミック層（１２０）と、
該中間セラミック層（１２０）の前記上面（１２３）に取り付けられた上部金属層（１２１）と、
前記中間セラミック層（１２０）の前記下面（１２４）に取り付けられた下部金属層（１２２）であって、当該下部金属層（１２２）は、前記電力用電子回路（１００）を冷却する冷却材を送達するように構成されている複数のミリチャネル（１２５、１２６）を有し、該ミリチャネル（１２５、１２６）は、前記中間セラミック層（１２０）の前記下面（１２４）への取り付けの前に前記下部金属層（１２２）の上に形成される、下部金属層（１２２）と
を備えた基材（１２）。
【請求項２】
前記下部金属層（１２２）及び前記上部金属層（１２１）は、活性金属鑞付け又は直接接着銅の一方により前記中間セラミック層（１２０）に結合される、請求項１に記載の基材。
【請求項３】
前記中間セラミック層（１２０）は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の少なくとも一つを含んでおり、前記下部金属層（１２２）及び前記上部金属層（１２１）は、銅、アルミニウム、金、銀、及びこれらの合金の少なくとも一つを含む一つの伝導性材料を含んでいる、請求項１に記載の基材。
【請求項４】
第一の層（１２２）に複数のミリチャネル（１２５、１２６）を画定するステップと、
基材（１２）を形成するステップであって、
前記ミリチャネルを有する前記第一の層（１２２）を第二の層（１２０）の下面（１２４）に取り付けるステップと、
第三の層（１２１）を前記第二の層（１２０）の上面（１２３）に取り付けるステップと
を含む形成するステップと、
前記第一の層（１２２）が基板（１１）に結合されるように前記基材（１２）を前記基板（１１）に取り付けるステップであって、前記基板（１１）は前記基材（１２）と協働して前記ミリチャネル（１２５、１２６）に冷却材を通すように構成されている、取り付けるステップと
を備えた冷却デバイスを製造する方法。
【請求項５】
前記第一の層（１２２）及び前記第三の層（１２１）の前記第二の層（１２０）への前記取り付けは同時に行なわれる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記基板（１１）は入口多岐管（２０）及び出口多岐管（２１）を含んでおり、前記ミリチャネル（１２５、１２６）は、前記入口多岐管（２０）から前記冷却材を受け入れて前記出口多岐管（２１）に前記冷却材を送達するように構成されている、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記基材（１２）を前記基板（１１）に取り付ける前に、共融鉛スズはんだ及び高鉛はんだの一方を含むはんだ（１３、１４）を前記基板（１１）に取り付けるステップをさらに含んでいる請求項４に記載の方法。
【請求項８】
基材（１２）を製造するステップであって、
第一の層（１２２）に複数のミリチャネル（１２５、１２６）を画定するステップと、
該ミリチャネル（１２５、１２６）を有する前記第一の層（１２２）を第二の層（１２０）の下面（１２４）に取り付けるステップと、
第三の層（１２１）を前記第二の層（１２０）の上面（１２３）に取り付けるステップと
を含む製造するステップと、
前記第一の層（１２２）が基板（１１）に結合されるように前記基材（１２）を前記基板（１１）に取り付けるステップであって、前記基板（１１）は前記基材（１２）と協働して前記ミリチャネル（１２５、１２６）に冷却材を通すように構成されている、取り付けるステップと、
電力用電子回路（１００）を前記基材（１２）の前記第三の層（１２１）に取り付けるステップと
を備えた装置（１０）を製造する方法。
【請求項９】
前記第二の層（１２０）は、少なくとも一つの電気絶縁性及び熱伝導性の材料を含んでおり、前記第一及び第三の層（１２２、１２１）の１又は複数は、少なくとも一つの伝導性材料を含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第二の層（１２０）は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでおり、前記第一及び第三の層（１２２、１２１）の１又は複数は銅を含んでいる、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
多くの高性能電力用電子回路が、信頼性及び実効性を高めるように回路の過熱を防ぐ冷却デバイスを必要とする。かかる電力用電子回路を冷却する一つの方法は、ヒート・シンクを利用することによるものである。ヒート・シンクは電力用電子回路から熱を除去することにより作用し、これにより電力用電子回路の温度を低く保つ。空冷式デバイス及び液冷式デバイスを含めて様々な形式のヒート・シンクが熱管理分野で公知である。
【０００２】
典型的には、ヒート・シンクは導電性材料で構成される。従って、電力用電子回路は、当該電力用電子回路を損傷し得る短絡の発生を回避するために基材を介設した状態でヒート・シンクに結合され得る。基材は一般的には、セラミック層のような電気絶縁性及び熱伝導性の層を含んでいる。ヒート・シンク及び電力用電子回路にセラミック層を取り付けるために、基材は、セラミック層の上面及び下面に鑞付けされ又は接着される銅のような金属をさらに含んでセラミック層に対する表面処理を行なう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，３５３，８５９Ｂ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
表面処理工程は典型的には、６００℃〜１０００℃のような高温で実行される。従って、金属のパターン及び厚みを制御して、基材が室温まで冷却される際の機械的変形を防ぐべきである。冷却は、金属とセラミック層との間の熱膨張率（ＣＴＥ）の差のため金属とセラミックとの界面に機械的残留応力を生じ得る。例えば、セラミック層はＣＴＥが４ｐｐｍ／℃である窒化アルミニウムセラミックを含み、銅金属のＣＴＥは１７ｐｐｍ／℃である。
【０００５】
加えて、基材には、冷却材を通すための複数のミリチャネルが下部金属に形成されている。しかしながら、基材の底部金属に微小チャネルを作製すると、金属の除去によって残留応力の幾分かを解放し得る。結果として、基材が変形し得る。
【０００６】
ヒートシンク及び電力用電子回路に接着される平面基材を有することが望ましい。特に、非平面状基材が約２５０℃の高温でヒートシンクに接着されると、基材がさらに変形してヒートシンクへの接着を達成することができない。
【０００７】
従って、ミリチャネル基材、並びにミリチャネル基材を用いた冷却デバイス及び装置を製造する新たな改善された方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、電力用電子回路を装着させるための基材が提供される。基材は、下面及び上面を有する中間セラミック層と、中間セラミック層の上面に取り付けられた上部金属層と、中間セラミック層の下面に取り付けられた下部金属層とを含んでいる。下部金属層は、電力用電子回路を冷却する冷却材を送達するように構成されている複数のミリチャネルを有し、これらのミリチャネルは中間セラミック層の下面への取り付けの前に下部金属層に形成される。
【０００９】
本発明のもう一つの実施形態によれば、冷却デバイスを製造する方法が提供される。この方法は、第一の層に複数のミリチャネルを画定するステップと、基材を形成するステップとを含んでいる。基材を形成するステップは、ミリチャネルを有する第一の層を第二の層の下面に取り付けるステップと、第三の層を第二の層の上面に取り付けるステップとを含んでいる。方法はさらに、第一の層が基板に結合されるように基材を基板に取り付けるステップを含んでおり、基板は基材と協働してミリチャネルに冷却材を通すように構成される。
【００１０】
本発明の一実施形態はさらに、ミリチャネル冷却を行なう基材を有する装置を製造する方法を提供し、基材を製造するステップが、第一の層に複数のミリチャネルを画定するステップと、ミリチャネルを有する第一の層を第二の層の下面に取り付けるステップと、第三の層を第二の層の上面に取り付けるステップとを含んでいる。この方法はさらに、第一の層が基板に結合されるように基材を基板に取り付けるステップと、電力用電子回路を第三の層に取り付けるステップとを含んでいる。基板は、基材と協働してミリチャネルに冷却材を通すように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本開示の上述の観点、特徴及び利点並びに他の観点、特徴及び利点は、以下の詳細な説明に照らして添付の図面を併せて考察するとさらに明らかとなろう。
【図１】本発明の一実施形態による電力用電子回路、基材、及び基板を含む装置の模式図である。
【図２】本発明の一実施形態による装置の組立て後の遠近図である。
【図３】図２に示す基板の遠近図である。
【図４】図３に示す基板の平面図である。
【図５（ａ）】図２に示す基材の上側遠近図である。
【図５（ｂ）】図２に示す基材の下側遠近図である。
【図６】基材の下層と基板との協働を示す模式図である。
【図７】下層と基板との協働を示す拡大模式図である。
【図８】本発明のもう一つの実施形態による基材の下部金属の模式図である。
【図９】本発明の一実施形態による装置を形成する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の様々な実施形態を添付の図面を参照して本書に記載する。この記載は一般的には、基材、並びにミリチャネル基材を用いた冷却デバイス及び装置を製造する方法に関する。この記載はまた、ミリチャネル基材、及びミリチャネル基材を製造する方法に関する。
【００１３】
図１〜図２に示すように、装置１０が、基板１１と、基板１１の上に結合されている基材１２と、基材１２の上に結合されている電力用電子回路のような少なくとも一つの熱源１００とを含んでおり、各部材は共に積層構成を形成している。基板１１及び基材１２は互いに協働して１又は複数の冷却材を流し、熱源１００を冷却する。
【００１４】
幾つかの実施形態では、冷却材の非限定的な例は、脱イオン水及び他の非導電性液体を含む。電力用電子回路又は熱源１００の非限定的な例としては、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ダイオード、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、及び高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等がある。ミリチャネル基材の実施形態は多様な半導体から製造される電力用電子回路に応用され、かかる半導体の非限定的な例としては、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びガリウムヒ素（ＧａＡｓ）がある。
【００１５】
図１の構成では、基材１２は、限定しないが鑞付け、接着、拡散接着、はんだ付け、又は装置１０の総費用を低減する簡単な組み立て工程を提供するクランプ締めのような圧迫接触を含む多数の手法を用いて基板１１及び電力用電子回路１００に取り付けられ得る。図１に示すように、幾つかの非限定的な例では、装置１０は、下層１２２を基板１１に取り付けるように構成されている第一のはんだ１３と、電力用電子回路１００を上層１２１に取り付けるように構成されている第二のはんだ１４とをさらに含み得る。幾つかの応用によれば、はんだ１３、１４を用いなくてもよい。
【００１６】
図３は、基板１１の遠近図を示す。図４は、図３に示す基板１１の平面図を示す。図３〜図４に示すように、基板１１は立体形状であり、複数の入口多岐管２０及び複数の出口多岐管２１を画定しており、多岐管の各々が基板１１の上面（標識されていない）から下向きに陥凹している。幾つかの例では、基板１１は他の形状であってもよい。本発明の実施形態では、入口多岐管２０は冷却材を受け入れるように構成され、出口多岐管２１は冷却材を排出するように構成されている。非限定的な一例では、入口多岐管２０及び出口多岐管２１は交互に配置される。
【００１７】
図３〜図４の実施形態では、冷却材流の対称性を保存するために出口多岐管２１よりも一つ多い入口多岐管２０が存在する。代替的には、入口多岐管２０よりも一つ多い出口多岐管２１が存在していてもよい。この実施形態の例では、基材１１は、入口プレナム２２及び出口プレナム２３をさらに含んでいる。入口プレナム２２は入口多岐管２０と連通するように構成され、出口プレナム２３は出口多岐管２１と連通するように構成される。このように、冷却材は入口プレナム２２から基板１１に入り、出口プレナム２３から基板１１を出ることができる。
【００１８】
幾つかの非限定的な例では、入口プレナム２２及び出口プレナム２３の径は、入口多岐管２０及び出口多岐管２１の径よりも大きくてよい。従って、プレナムに著しい圧力降下が存在しなくなる。チャネルについての他の議論は、参照により本明細書に援用される米国特許第７，３５３，８５９号明細書に開示されている。
【００１９】
幾つかの実施形態では、基板１１は少なくとも一つの熱伝導性材料を含んでいてよく、この非限定的な例としては銅、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、チタン、及びこれらの合金等がある。幾つかの例では、基板１１はまた少なくとも一つの熱伝導性材料を含んでいてよく、この非限定的な例としては熱分解グラファイト（ＴＰＧ）等がある。他の例では、基板１１はまた少なくとも一つの熱伝導性材料を含んでいてよく、この非限定的な例としてはアルミニウム炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）、アルミニウムグラファイト、又は銅グラファイトのような金属母材複合材料等がある。代替的には、基板１１はまた少なくとも一つの熱伝導性材料を含んでいてよく、この非限定的な例としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、又は窒化ケイ素セラミックのようなセラミックス等がある。幾つかの例では、基板１１は少なくとも一つの熱可塑性材料を含んでいてよい。
【００２０】
図５（ａ）〜図５（ｂ）は、基材１２の上側遠近図及び下側遠近図を示している。図５（ａ）〜図５（ｂ）に示すように、基材１２は下層１２２（第一の層）、中間層１２０（第二の層）、及び上層１２１（第三の層）を含んでいる。中間層１２０は、上面１２３と、上面１２３の反対側の下面１２４とを含んでいる。上層１２１は上面１２３に結合され、下層１２２は下面１２４に結合される。図１の構成では、基材１２は、下層１２２を基板１１に取り付けることにより基板１１に結合される。電力用電子回路１００は、電力用電子回路１００を上層１２１に取り付けることにより基材１２に結合される。
【００２１】
幾つかの実施形態では、図５（ａ）〜図５（ｂ）の構成について、中間層１２０は少なくとも一つの電気絶縁性及び熱伝導性の層を含み得る。上層１２１及び下層１２２は、それぞれ少なくとも一つの伝導性材料を含み得る。非限定的な一例では、中間層１２０はセラミック層であり、上層１２１及び下層１２２は、セラミック層１２０の上面１２３及び下面１２４に取り付けられる銅のような金属を含み得る。このように、基材１２は、直接接着銅（ＤＢＣ）又は活性金属鑞付け（ＡＭＢ）構造の何れかを有し得る。ＤＢＣ及びＡＭＢは、銅の層がセラミック層に直接接着される工程を指す。
【００２２】
セラミック層１２０の非限定的な例は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を含み得る。ＤＢＣ及びＡＭＢの両方が基材１２の簡便な構造となり、セラミック層１２０の上に伝導性材料（この場合には銅）を用いることにより熱的安定性及び機械的安定性を提供することができる。代替的には、伝導性層１２１、１２２は他の材料を含んでいてもよく、異なる応用によれば限定しないがアルミニウム、金、銀、及びこれらの合金等を含み得る。
【００２３】
図５（ｂ）の構成では、下層１２２は、互いに平行に配列され入口多岐管２０及び出口多岐管２１と連通するように構成されている複数のミリチャネル１２５を画定する（図７に示す）。非限定的な一例では、ミリチャネル１２５は、下層１２２を通過して下層１２２に貫通孔構成（図７に示す）を形成し得る。すなわち、ミリチャネルの深さは下層１２２の厚みに等しくてよい。代替的には、他の例では、ミリチャネル１２５は下層１２２に複数の溝を形成するようにし、下層１２５を貫通しなくてもよい。
【００２４】
図６は、下層１２２と基板１１との協働を示す模式図を示す。図７は、下層１２２と基板１１との協働の一部の拡大図を示す。尚、この構成は例示に過ぎず、幾つかの例では基材１２が形成された後に下層１２２が基板１１に接触してよいことを特記しておく。図６〜図７に示すように、ミリチャネル１２５は入口多岐管２０及び出口多岐管２１に対して実質的に垂直であり、また入口多岐管２０及び出口多岐管２１と連通するように配向される。本書で用いられる「実質的に垂直に配向される」との用語は、ミリチャネル１２５が、入口多岐管２０及び出口多岐管２１に対して約９０度プラス／マイナス約３０度（９０°±３０°）の角度で配向され得ることを意味するものと理解されたい。他の例では、ミリチャネル１２５は、入口多岐管２０及び出口多岐管２１に対して約９０度プラス／マイナス約１５度（９０°±１５°）の角度で配向され得る。
【００２５】
動作について述べると、図６〜図７の構成では、冷却材は入口プレナム２２から入口多岐管２０に入り、次いでミリチャネル１２５を通って流れ、最後に出口多岐管２１に入って出口プレナム２３から基板１１を出ることができる。このようにして、電力用電子回路１００（図１に示す）から発生される熱を冷却材によって除去することができる。
【００２６】
図８は、本発明のもう一つの実施形態による下層１２２の模式図を示す。図示の実施形態では、下層１２２は、４個等のように１よりも多い群を成して配列されて、基板１１と協働して電力用電子回路を冷却する複数のミリチャネル１２６を画定する。ミリチャネル１２６の異なる群は互いに対して平行に互いに分かれて配列されており、同じ一つの群のミリチャネル１２６は互いに対して平行に配列されている。異なる群のミリチャネル１２６の長さ及び幅は等しくてよい。他の例では、一つの群のミリチャネル１２６の長さ及び幅が、他の群のミリチャネル１２６の長さ及び幅と異なっていてもよい。幾つかの応用では、ミリチャネル１２５〜１２６は、設計規準に依存して傾斜パターン、円弧パターン、ジグザグ・パターン及び他のパターンのような異なるパターンとして配列されていてよい。さらに特定的な実施形態によれば、チャネル２０〜２３、１２５〜１２６は、冷却材を一様に送達して熱除去性能を高めるように構成される。
【００２７】
本発明の各実施形態では、ミリチャネル１２５〜１２６は方形／矩形断面を含み得る。ミリチャネル１２５〜１２６の断面の非限定的な例としては、Ｕ字形断面、円形断面、三角形断面、又は台形断面等がある。ミリチャネル１２５〜１２６は下層１２２に鋳造、切削又はエッチングによって形成されてよく、滑らかであっても凹凸があってもよい。凹凸のあるミリチャネルは相対的に大きい表面積を有し、冷却材への熱移動を強化するように冷却材の乱流を増大させることができる。非限定的な例では、ミリチャネルは、窪み又は隆起等のような特徴を用いて当該ミリチャネルの凹凸を増してもよい。ミリチャネル１２５〜１２６と同様に、多岐管２０〜２１及びプレナム２２〜２３もまた、限定しないが丸形、円形、三角形、台形、又は方形／矩形の断面を含む多様な断面形状を有し得る。チャネル形状は応用及び製造時の制約に基づいて選択され、冷却材流ばかりでなく適用可能な製造方法にも影響を及ぼす。
【００２８】
幾つかの実施形態では、基材１２は基板１１及び電力用電子回路１００に確実に結合されるように平坦であってよい。従って、基材１２を製造するときに基材１２の変形を抑制すべきである。幾つかの非限定的な例では、下層１２２が中間層１２０に結合される前に下層１２２にミリチャネル１２５、１２６を共に形成して、基材１２の変形を防止することができる。
【００２９】
非限定的な一例では、基材１２は、直接接着銅又は活性金属鑞付け構造を有し得る。従って、図９に示す流れ図２００に記載するように、基材を製造するときには、ステップ２０５において下部銅層にミリチャネルが形成される。次いで、ステップ２１０では、下部銅層及び上部銅層が中間セラミック層に取り付けられ、このステップは一例では６００℃から１０００℃のような高温で同時に行なわれる。
【００３０】
代替的には、下層及び上層は、中間層に同時にではなく逐次的に取り付けられてもよい。加えて、幾つかの例では、上層もまた下層ミリチャネル１２５〜１２６と同様のミリチャネルを画定し得る。本書に記載されるように、上層及び下層は、異なる応用によればアルミニウム、金、銀、及びこれらの合金のような他の伝導性材料を含み得る。
【００３１】
続いて、ステップ２１５では、基材が基板に取り付けられる。図１に示すような幾つかの実施形態では、多様な第一のはんだ１３を用いて取り付けを完成することができる。幾つかの例では、第一のはんだ１３は、６３重量％のスズ及び３７重量％の鉛を含む共融鉛スズはんだを含み得る。他の例では、第一のはんだ１３は、９２．５重量％の鉛、２．５重量％の銀、及び５重量％のスズを含む高鉛はんだを含み得る。基板１１への基材１２の取り付けを完成するために、鉛スズはんだを用いる取り付け温度は約２１０℃であってよく、高鉛はんだを用いる取り付け温度は約３１０℃であってよい。
【００３２】
最後に、ステップ２２０では、何らかの形式の第二のはんだ１４を用いて電力用電子回路が上層に取り付けられ、このステップは当業者によって具現化され得る。代替的には、幾つかの実施形態では、基材が基板に取り付けられる前に電力用電子回路が基材に取り付けられてもよい。このように、幾つかの実施形態では、製造工程での基材の変形を減少させ又は排除し得るように、下層及び上層が中間層に結合される前にミリチャネルが最初に下層に形成される。
【００３３】
動作について述べると、ステップ２２５に示すように、冷却材は基板及び基材のミリチャネルを通って流れ、これにより電子回路を冷却する。
【００３４】
本開示を典型的な実施形態において図示して説明したが、本開示の真意を如何なる方法でも逸脱することなく様々な改変及び置換を施すことができるため、開示は示された詳細に限定されないものとする。このようなものとして、本書に開示される開示のさらなる改変及び均等構成は、当業者には通常の実験のみを用いて想到されることができ、かかる全ての改変及び均等構成は以下の特許請求の範囲によって画定される開示の真意及び範囲内にあると考えられる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  装置
１１  基板
１２  基材
１３  第一のはんだ
１４  第二のはんだ
２０  入口多岐管
２１  出口多岐管
２２  入口プレナム
２３  出口プレナム
１００  熱源
１２０  中間層
１２１  上層
１２２  下層
１２３  上面
１２４  下面
１２５、１２６  ミリチャネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
2010219524.tif 000008
【図６】
2010219524.tif 000009
【図７】
2010219524.tif 000010
【図８】
2010219524.tif 000011
【図９】
2010219524.tif 000012
【外国語明細書】
2010219524000001.pdf